(57)【要約】【課題】計測対象の傾斜角度にかかわらず、計測結果の誤差を抑制可能とする。【解決手段】照射手段１０は、光放射装置１１と円筒状の偏光子１２とを備え、偏光子１２を通して計測対象１に円偏光を照射する。撮像手段２０は、計測対象１からの正反射光を検光子２２を通してカメラ２１で撮像する。解析手段３０は、撮像手段２０の出力を用いて正反射光の偏光状態を検出し、この偏光状態から計測対象１における正反射光の反射部位が規定の基準平面に対してなす角度を算出する。解析手段３０は、反射光の偏光状態から算出した角度を、角度ごとに定められた関係で補正することにより、計測対象１の表面における傾斜角度を求める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象に円偏光を照射する照射手段と、
検光子を通して前記計測対象からの正反射光を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段の出力を用いて前記正反射光の偏光状態を検出し、この偏光状態から前記計測対象における正反射光の反射部位が規定の基準平面に対してなす角度を算出する解析手段とを備え、
前記解析手段は、反射光の偏光状態から算出した前記角度を、前記角度ごとに定められた関係で補正することにより、計測対象の表面における傾斜角度を求める
ことを特徴とする傾斜測定装置。
【請求項２】
前記照射手段は、
前記撮像手段の光軸を囲む全方向から前記計測対象に光を照射する光放射装置と、
前記光放射装置と前記計測対象との間に配置され前記撮像手段の光軸に直交する断面が円形であって表面に垂直に入射した光を円偏光として出射させる偏光子とからなる
ことを特徴とする請求項１記載の傾斜測定装置。
【請求項３】
前記偏光子は、円筒形である
ことを特徴とする請求項２記載の傾斜測定装置。
【請求項４】
前記関係は、傾斜角度が既知である物体について、前記解析手段が反射光の偏光状態から算出した前記角度と前記物体の既知の傾斜角度との複数の組合せから求めた回帰式で表されている
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の傾斜測定装置。
【請求項５】
照射手段から計測対象に円偏光を照射するとともに、検光子を通して前記計測対象からの正反射光を撮像手段により撮像し、
前記計測対象で反射された反射光の偏光状態から前記計測対象において反射光を反射した部位が規定の基準平面に対してなす角度を解析手段で算出するにあたり、
反射光の偏光状態から算出した前記角度を、角度ごとに定められた関係で補正することにより、計測対象の表面における傾斜角度を求める
ことを特徴とする傾斜測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測対象に偏光状態の光を照射し、計測対象からの正反射光の偏光状態を解析することにより計測対象の傾斜角度を計測する傾斜測定装置およびその方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、計測対象の傾斜角度を計測する技術として、計測対象に偏光状態の光を照射し、計測対象からの正反射光の偏光状態を解析する傾斜エリプソメトリーと称する技術が知られている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１には、光源装置から計測対象である物体に円偏光を照射するとともに、その反射光である楕円偏光を偏光検知器で検出することにより、物体の傾斜角度を計測する技術が記載されている。また、引用文献１に記載の技術は、物体に反射センサーが取り付けられている。反射センサーの角度は、角度調節機構を用いて調節可能であって、光源装置から物体に照射された円偏光の正反射光が偏光検知器に入射されるように調節される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１０６９２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された技術を採用すれば、計測対象である物体において反射センサーが取り付けられた部位の傾斜角度を計測することが可能である。ただし、計測対象の表面に傾斜角度の異なる複数の部位が存在する場合、傾斜角度の異なる各部位に反射センサーを設けることは困難である。また、複数個の反射センサーが設けられていると、個々の反射センサーごとに傾斜角度を計測することになるから、傾斜角度の計測に長時間を要することになる。
【０００５】
計測対象が金属光沢を有する材料である場合、反射センサーを省略することが可能であるが、特許文献１に記載された技術では、依然として複数の部位の傾斜角度を個別に計測することになるから、計測に要する時間を短縮することは困難である。
【０００６】
そのため、計測対象の全体に円偏光を照射し、偏光検出器として計測対象の画像を撮像する構成を採用することが考えられる。この場合、たとえばドーム型（半球状）の照射手段を用いて計測対象の表面全体に均一に円偏光を照射することが考えられる。しかしながら、偏光子をドーム状に形成して計測対象の表面の全体に均一に円偏光を照射することは困難である。
【０００７】
そこで、発光面が計測対象を囲むドーム形ないし半球状である光放射装置と、光放射装置と計測対象との間に、円筒状のような比較的単純な形状の偏光子を配置することが考えられている。偏光子は、表面に垂直に入射した光を円偏光として出射させることにより、計測対象に円偏光を照射する。
【０００８】
上述の構成では、偏光子が円筒状である場合、偏光子の口軸に直交する平面に沿って偏光子に入射する光は円偏光になるから、計測対象の傾斜角度が精度よく計測される。すなわち、計測対象が特定の傾斜角度である場合、円偏光の正反射光を偏光検出器に入射させることが可能である。
【０００９】
しかしながら、この構成を採用したところ、計測対象が特定の傾斜角度ではない場合に、傾斜角度の計測結果に誤差が生じることがわかった。このような誤差は、計測対象が特定の傾斜角度ではない場合、偏光検出器に正反射光として入射される光が、計測対象に照射される際に円偏光ではないことに起因していると考えられる。
【００１０】
本発明は、計測対象の傾斜角度にかかわらず、計測結果の誤差を抑制可能とした傾斜測定装置およびその方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る傾斜測定装置は、計測対象に円偏光を照射する照射手段と、検光子を通して前記計測対象からの正反射光を撮像する撮像手段と、前記撮像手段の出力を用いて前記正反射光の偏光状態を検出し、この偏光状態から前記計測対象における正反射光の反射部位が規定の基準平面に対してなす角度を算出する解析手段とを備え、前記解析手段は、反射光の偏光状態から算出した前記角度を、前記角度ごとに定められた関係で補正することにより、計測対象の表面における傾斜角度を求めることを特徴とする。
【００１２】
この傾斜測定装置において、前記照射手段は、前記撮像手段の光軸を囲む全方向から前記計測対象に光を照射する光放射装置と、前記光放射装置と前記計測対象との間に配置され前記撮像手段の光軸に直交する断面が円形であって表面に垂直に入射した光を円偏光として出射させる偏光子とからなることが好ましい。
【００１３】
この傾斜測定装置において、前記偏光子は、円筒形であることがさらに好ましい。
【００１４】
この傾斜測定装置において、前記関係は、傾斜角度が既知である物体について、前記解析手段が反射光の偏光状態から算出した前記角度と前記物体の既知の傾斜角度との複数の組合せから求めた回帰式で表されていることが好ましい。
【００１５】
本発明に係る傾斜測定方法は、照射手段から計測対象に円偏光を照射するとともに、検光子を通して前記計測対象からの正反射光を撮像手段により撮像し、前記計測対象で反射された反射光の偏光状態から前記計測対象において反射光を反射した部位が規定の基準平面に対してなす角度を解析手段で算出するにあたり、反射光の偏光状態から算出した前記角度を、角度ごとに定められた関係で補正することにより、計測対象の表面における傾斜角度を求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の構成によれば、撮像手段で受光した正反射光に基づいて算出した角度を、角度ごとに定められた関係で補正することにより、計測対象の傾斜角度を求めるから、計測対象の傾斜角度にかかわらず、誤差の発生が抑制可能になるという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態を示す概略構成図である。
【図２】同上の問題点を説明する図である。
【図３】同上において計算上の角度と実際の角度との関係を示す図である。
【図４】同上において補正後の角度と測定誤差との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本実施形態の傾斜測定装置は、図１に示すように、計測対象１に円偏光を照射する照射手段１０と、計測対象１からの正反射光を撮像する撮像手段２０とを備える。計測対象１は、金属のように高反射率であることが好ましい。撮像手段２０の出力は解析手段３０に与えられる。解析手段３０は、撮像手段２０の出力を用いて計測対象１から正反射光の偏光状態を検出し、正反射光の反射部位について検出した偏光状態を用いて、当該反射部位が規定の基準平面に対してなす角度を算出する。さらに、解析手段３０は、後述するように、算出した角度を補正することにより、計測対象１における反射部位ごとの傾斜角度を求める機能を有する。なお、以下の説明では、基準平面は、計測対象１を載せるテーブルの上面などに平行な面であって、撮像手段２０の光軸に直交するように設定する場合を想定しているが、撮像手段２０の光軸に対して傾斜するように設定することも可能である。
【００１９】
照射手段１０は、計測対象１において撮像手段２０の視野内に存在する部位に円偏光が照射可能となるように構成されている。本実施形態の照射手段１０は、図１に示すように、撮像手段２０の光軸を囲む全方向から計測対象１に光を照射する光放射装置１１と、光放射装置１１と計測対象１との間に配置された偏光子１２とを備える。
【００２０】
光放射装置１１は、計測対象１を囲む半球状ないしドーム状の発光面を有し、撮像手段２０の視野範囲において計測対象１の表面にほぼ均一に光を照射する。照射手段１０に用いる光源は、撮像手段２０が撮像している間に光出力が変動することがないよう、直流安定化電源を用いて点灯させることが好ましい。また、照射手段１０は、計測対象１に対して連続的に光を照射する構成と、規定の短時間だけ光を出力して計測対象１に閃光を照射する構成とのいずれかが用いられる。照射手段１０が閃光を発生する場合、発光毎の光量が変化しないように発光量が制御される。
【００２１】
偏光子１２は、光放射装置１１からの光を直線偏光に変換する偏光板と四分の一波長板とを重ね合わせた構成を有し、光放射装置１１から放射された光を円偏光に変換する。この種の偏光子１２は、シート状に形成された可撓性を有する円偏光フィルムが所望の形状に加工されるか、可撓性を有していない多数個の光学素子が所望の形状に配列されることにより形成される。図示例の偏光子１２は、円筒状に形成され、口軸方向が撮像手段２０の光軸に平行になるように配置されている。偏光子１１は、基本的には、撮像手段２０の光軸を対称軸として回転対称であればよいが、撮像手段２０の光軸に直交する断面が円形となる形状であることが好ましい。すなわち、偏光子１２は、円筒状以外では円錐台状が好ましい。なお、断面が多角形状など、断面が円形ではない偏光子１２を用いることも可能である。ただし、偏光子１２の断面が多角形状であると、角部分において円偏光が得られない領域が形成されるから、用途は制限される。
【００２２】
偏光子１２は端面が開口しており、光放射装置１１において偏光子１２の口軸方向の軸線と交差する部位には、撮像手段２０から計測対象１が直視できるように開口窓１３が形成されている。撮像手段２０は、この開口窓１３を通して偏光子１２に囲まれた計測対象１からの正反射光を受光する。
【００２３】
撮像手段２０は、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサのように２次元格子の格子点上に画素が配列された撮像素子（図示せず）を備えるカメラ２１と、計測対象１とカメラ２１との間に配置された検光子２２とを備える。カメラ２１は、受光光学系を備え、受光光学系を通して計測対象１からの反射光を撮像素子に入射させる。また、カメラ２１は、画素値を濃淡値とする濃淡画像を出力する。なお、必要に応じてカメラ２１の前方にフィルタを設け、光放射装置１１から放射された光以外の環境光を低減させるようにしてもよい。この種のフィルタには干渉フィルタを用いることが好ましい。
【００２４】
検光子２２は、カメラ２１の光軸と平行な回転中心の周りで回転可能に配置され、モータのような駆動源を備えた回転装置２３により駆動される。検光子２２は回転の基準位置が定められており、基準位置に対する検光子２２の回転角度を計測するために角度センサ２４が検光子２２に付設される。角度センサ２４は、検光子２２の回転角度を検出するロータリエンコーダ、ポテンショメータなどが用いられる。また、角度センサ２４は、検光子２２から回転を直接に検出するように配置されるほか、回転装置２３のおける回転部分から検光子２２の回転を間接的に検出するように配置されていてもよい。
【００２５】
撮像手段２０は、カメラ２１が撮像した濃淡画像を、角度センサ２４が計測した検光子２２の回転角度に対応付けて出力する。すなわち、撮像手段２０の出力は、角度センサ２４が検出した検光子２２の回転角度が所定の角度であるときにカメラ２１が撮像した画像であって、結果的に回転角度と画像との組になる。言い換えると、カメラ２１の画素ごとの画素値は、計測対象１における正反射光の反射部位ごとの偏光状態を反映していることになる。
【００２６】
撮像手段２０の出力は解析手段３０に与えられる。解析手段３０は、以下に説明する機能を実現するためのプログラムを実行するプロセッサ（たとえば、マイコン）をハードウェア要素として備える。撮像手段２０から取得した画像と、撮像時の検光子２２の回転角度との組を記憶する記憶部３１を備える。検光子２２の回転角度は、たとえば１０度間隔で０〜１７０度の範囲で変化される。この場合、記憶部３１は、回転角度ごとに合計１８枚の画像を記憶する。
【００２７】
ところで、上述の構成において撮像手段２０が受光する受光強度は、検光子２２の回転角度に応じて周期的に変化することが知られている。撮像手段２０が撮像した画像の１つの画素に着目すれば、１８点の濃淡値は正弦波状に変化する。このような画素ごとの濃淡値の変化によって得られる位相、振幅（最大値と最小値との差の２分の１）、中心値（最大値と最小値との平均値）を用いると、楕円偏光の楕円率角（楕円率の逆正接）と軸の方向（方位角）とが算出可能になる。
【００２８】
また、撮像手段２０が受光する受光強度が変化する位相は、計測対象１において正反射光を生じた反射部位が規定の基準平面に対してなす傾斜角度に応じて変化する。これは、計測対象１に照射された円偏光が、計測対象１の表面に入射する角度に応じて正反射することにより、傾斜角度に応じた向きの軸を有する楕円偏光になるからである。楕円偏光の楕円率角は計測対象１の傾斜角度によって定まり、楕円偏光の方位角は計測対象１の方位角によって定まる。計測対象１の方位角は撮像手段２０の光軸周りにおける角度を意味する。
【００２９】
上述したように、楕円偏光の楕円率角および方位角は、計測対象１の傾斜角度および方位角に変換できるから、検光子２２の回転角度と画素ごとの画素値との関係が求められると、計測対象１において画素に対応する部位の傾斜角度および方位角が算出可能になる。すなわち、撮像手段２０（カメラ２１）の解像度に応じて、計測対象１の表面を微小面に分割すると、微小面ごとの傾斜角度および方位角に基づいて、微小面ごとの法線ベクトルが求められる。また、微小面ごとの法線ベクトルが求められると、微小面をつなぎ合わせることによって、計測対象１の３次元形状を求めることが可能になる。
【００３０】
いま、計測対象１における反射部位の基準平面に対する傾斜角度が略４５度である場合について考察する。この場合、光放射装置１１から放射され計測対象１の表面で正反射された後にカメラ２１に入射する光は、図２（ａ）に示すように、偏光子１２に対して略０度で入射する光のみである。ここに、計測対象１の表面は金属光沢を有し拡散反射は生じないと仮定している。また、図中に符号ＰＬで基準平面を示している。偏光子１２に入射する光の進行方向が略０度である場合、この光は偏光子１２の表面に略直角に入射することになるから、計測対象１に照射される光はほぼ完全な円偏光になる。
【００３１】
一方、計測対象１における反射部位が基準平面ＰＬに対する傾斜角度が略３０度である場合には、図２（ｂ）に示すように、偏光子１２に対して略３０度で入射する光のみが、計測対象１の表面で正反射された後にカメラ２１に入射する。偏光子１２に入射する光の進行方向が略３０度である場合、この光は偏光子１２の表面に対して傾いて入射することになる。そのため、計測対象１に照射される光は完全な円偏光にはならなず、偏光子１２への入射角度に応じた楕円率を有した楕円偏光になると考えられる。なお、楕円偏光の方位角は偏光子１２への入射角度には依存しないと推測される。
【００３２】
上述した事象が生じることから、楕円偏光の楕円率角から求められる計測対象１の傾斜角度は、偏光子１２への光の入射角度に応じた誤差を生じることになる。言い換えると、楕円偏光の楕円率角から算出された計測対象１の角度は、算出された角度に応じた誤差を有していることになる。そして、この誤差は、計測対象１に照射される光が円偏光ではなく楕円偏光であることに起因していると考えられる。
【００３３】
上述の事情を勘案して、解析手段３０は、記憶部３１に格納された撮像手段２０の出力から計測対象１における反射部位ごとの角度を算出する角度算出部３２と、この角度を補正して計測対象１における反射部位ごとの傾斜角度を求める角度補正部３３とを備える。すなわち、カメラ２１で撮像した画像と検光子２２の回転角度とから角度算出部３２が求めた角度は誤差を含んでいるから、角度補正部３３は、この誤差を除去するように補正することにより、計測対象１に関する実際の傾斜角度を算出する。
【００３４】
角度算出部３２が算出した角度と、計測対象１の傾斜角度との関係について以下に説明する。図３は、基準平面に対する傾斜角度が既知である計測対象１について、角度算出部３２が算出した角度と、計測対象１の傾斜角度との関係を示している。図３において、特性（１）は角度算出部３２が算出した角度を示し、特性（２）は計測対象１の真の傾斜角度を示している。照射手段１０および撮像手段２０は図１に示す配置とした。また、計測対象１の角度はゴニオステージを用いて調節した。図３からわかるように、角度算出部３２が算出した角度の誤差は、計測対象１の傾斜角度が大きくなるほど増加するが、その関係はほぼ線形になっている。
【００３５】
上述した結果によれば、角度算出部３２が算出した角度に応じて定まる関係を当てはめると、計測対象１の真の傾斜角度が求められる。すなわち、角度補正部３３は、角度算出部３２が算出した角度を、その角度ごとに定められた関係で補正する機能を有する。
【００３６】
たとえば、計測対象１の実際の傾斜角度Θに対して、角度算出部３２が算出した角度がθであるとすれば、角度θと傾斜角度Θとの関係は、θ＝ａΘ−ｂという線形の回帰式で表すことが可能である。ここに、ａ，ｂは定数である。したがって、角度算出部３２が算出した角度θに対して、角度補正部３３が求める傾斜角度Θを、Θ＝（θ＋ｂ）／ａとして求めることが可能である。たとえば、ａ＝１．４、ｂ＝１８すれば、角度θの算出結果が３２度である場合、傾斜角度Θは３５．７度になる。
【００３７】
回帰式は、基本的には線形関係としているが、他の関係の回帰式を用いることも可能である。また、回帰式を用いる代わりに、角度補正部３３において角度と傾斜角度とを対応付けたデータテーブルを用いることも可能である。この場合、データテーブルでは、角度の値が離散値になるから、データテーブルに存在しない角度については、補間演算を行って傾斜角度を求めることになる。
【００３８】
いま、データテーブルが（角度，傾斜角度）の対で表され、（２４，３０）（３１，３５）（３８，４０）（４５，４５）というデータが存在してものとする。ここで、角度算出部３２で得られた角度が３２度であれば、｛（４０−３５）／（３８−３１）｝（３２−３１）＋３５＝３５．７度として傾斜角度が求められる。
【００３９】
ここにおいて、角度補正部３３で補正した傾斜角度について計測誤差を求めると、図４に示す結果が得られた。角度算出部３２で求めた角度が小さい範囲では計測誤差のばらつきが増加する傾向が見られるが、傾斜角度の誤差は±２度以内になるという結果が得られた。
【００４０】
上述したように、角度算出部３２が算出した角度と計測対象１の実際の傾斜角度とは線形関係であるから、角度と傾斜角度との関係は、両者の複数の組合せから回帰式として定められる。すなわち、角度補正部３３は、角度算出部３２で算出される角度と計測対象１の実際の傾斜角度との関係を回帰式で表していることが好ましい。
【００４１】
このような回帰式を設定するにあたり、偏光子１２が円筒状である場合と他の形状である場合とについて比較する。計測対象１の傾斜角度が０〜９０度の範囲において、偏光子１２が円筒状である場合は４５度を中心として角度の範囲が対称になるのに対して、他の形状の偏光子１２を用いた場合は角度の範囲が非対称になる。図４に示したように、偏光子１２に直交して入射する光に対する角度差が大きくなるほど計測誤差も大きくなる傾向があるから、円筒状の偏光子１２を用いると、計測誤差が抑制されることになる。もっとも、計測対象１において傾斜角度の範囲が限定されている場合には、その範囲に合わせた形状の偏光子１２を用いると、他の形状の偏光子１２のほうが計測誤差が抑制される場合もある。
【００４２】
解析手段３０は、上述した手順で、撮像手段２０の出力から計測対象１について各画素に対応した部位の傾斜角度を求める。また、求められた傾斜角度は、解析手段３０に設けられた出力部３４を通して出力される。出力部３４は、画素（つまり、計測対象１における反射部位）ごとの傾斜角度を数値で出力するほか、適宜の角度間隔（５度刻み、１０度刻みなど）で区分した区間ごとに傾斜角度をコード化し、画素ごとにコードを対応付けて出力してもよい。また、出力部３４は、計測対象１の表面を微小面に分割して、微小面ごとの法線ベクトルを求め、法線ベクトルに基づいて計測対象１の表面の三次元形状を出力する機能を有していてもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１  計測対象
１０  照射手段
１１  光放射装置
１２  偏光子
２０  撮像手段
２２  検光子
３０  解析手段
ＰＬ  基準平面
【図１】
2013117395.tif 000003
【図２】
2013117395.tif 000004
【図３】
2013117395.tif 000005
【図４】
2013117395.tif 000006